Защо океанът e като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне и каква е цената, която "плаща" затова?

Защо океанът e като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне и каква е цената за това? На този въпрос се опитва да даде отговор в специален анализ за climateka.bg Емил Гачев, доцент в катедра “География, екология и опазване на околната среда” към Природо-математическия факултет на Югозападния университет „Неофит Рилски“ като работи и в департамент “География“ към НИГГГ-БАН. 

Океанът е огромен природен буфер, който смекчава ефекта, оказван върху атмосферата от въглеродните емисии. Чрез механизмите на карбонатната система, той успява да абсорбира до 60% от отделяния от човека въглероден диоксид. Цената за това обаче е увеличаване на киселинността на водата, като само за последните 30 години средната величина на pH в повърхностните води е намаляла от 8,3 на 8,1, което съответства на нарастване на киселинността с 30%. Освен че тази промяна е заплаха за морските организми, в дългосрочен план проблемът е, че ако нивото на киселинност се повиши твърде много, капацитетът на океанската вода да поема въглероден диоксид рязко ще се понижи.

Какво представлява карбонатната система на Световния океан?

Карбонатната система е верига от химични взаимодействия, чрез които океанската вода приема, натрупва и отделя карбонатни съединения и въглероден диоксид. Карбонатната система е основен инструмент, чрез който океанът участва във въглеродния баланс на планетата и в „неутрализиране“ на въглеродните емисии чрез тяхното поглъщане и задържане.

Въглеродният диоксид (СО2) е един от газовете с основно значение за биологичните и атмосферните процеси. В морската вода той попада от въздуха или в резултат на жизнената дейност на организмите (при дишането и при разлагане на органични вещества). 

Съществува директна връзка между количеството на разтворения въглероден диоксид и киселинността на водата.
Киселинността (или реакцията) показва какво е съотношението между водородните (Н+) и хидроксилните (ОН-) йони във водата. При вода с неутрална реакция концентрацията на водородните йони е еднаква с тази на хидроксилните йони, като е равна на около 10-7 mol/l. Колкото повече са водородните йони, толкова по-голяма е киселинността на водата. 

За измерване на киселинността е въведен числов показател – pH, който представя концентрацията на ОН йоните в опростен вид – само степенният показател, и то без отрицателния знак. Тоест, при неутрална реакция на разтвора, рН е равно на 7. Така изразената числова величина може да се изменя от 0 до 14. При стойности под 7 реакцията на водата е кисела (водородните йони са повече от хидроксилните), а при стойности над 7 реакцията е алкална (тогава съотношението е в полза на хидроксилните йони). 

Поглъщането на въглеродния диоксид от атмосферата в океана зависи от температурата на водата, но и от концентрацията му във въздуха. По отношение на газовете, студените води имат по-голяма разтворимост.

Вторият важен компонент в карбонатната система е притокът на разтворени от речната и морската вода компоненти от варовикови и други химически разтворими скали – предимно хидрокарбонатни (HCO3–), калциеви (Ca2+) и по-малко магнезиеви (Mg2+) йони. В повърхностните слоеве на водните басейни, особено в крайбрежните области, става насищане и дори пресищане на водите с такива компоненти. До химическо утаяване на калциев карбонат (CaCO3) на дъното на океана обаче се стига изключително рядко, понеже калциевите и карбонатните йони се извличат от морските организми, които изграждат своите скелети и черупки от калциев карбонат. След смъртта на организмите, техните карбонатни останки се отлагат на дъното и след дълго уплътняване и спояване могат да се превърнат пак във варовикови скали.

Фигура 1. Химични взаимодействия на въглеродния диоксид във водата – при разграждането на молекула CO2 във водата се отделя един карбонатен йон, но потенциално се свързват два, което води до намаляване на концентрацията на свободни карбонатни йони. Източник: Климатека.

По този начин, чрез действието на карбонатната система, океанът поглъща едно значително количество от атмосферния въглероден диоксид. В процесите на постоянен обмен на газове между хидросферата и атмосферата, въглеродният диоксид, който фигурира във водата под форма на разтворен газ или на въглена киселина, може по всяко време да се върне обратно във въздуха. В същото време тази част от въглеродния диоксид, който се намира под формата на химически разградени от водата компоненти, не може да се върне в атмосферата, поне докато е в такъв вид, и остава в океана. Попадайки във водните басейни (както в моретата, така и в езерата и реките), въглеродният диоксид участва в биологичните процеси. Сред тях най-значими са фотосинтезата и дишането, които са химически противоположни.

В крайна сметка, в резултат на жизнената дейност на организмите, част от въглеродния диоксид се складира на морското дъно и в земната кора под формата на карбонатни отложения и за по-дълго или за по-кратко излиза от активен обмен. Така се компенсира притокът в системата на карбонати от разтворените от речните и морските води карбонатни скали.

Между атмосферата и океана от хилядолетия се е установило равновесие в обмена на въглеродния диоксид и неговите производни продукти, образуващи се при химичните реакции във водна среда. Във връзка със специфичните особености на този обмен (съответно и на факта, че част от въглеродния диоксид се складира под формата на седименти), океанската вода се отличава със слабо алкална реакция (рН най-често между 7,9 и 8,3). Най-високи стойности (8,0 — 8,35) pH достига в повърхностния слой на океана, поради интензивното усвояване на въглероден диоксид в процесите на фотосинтеза. С увеличение на дълбочината, стойността на pH намалява, което е свързано с нарастването на концентрацията на въглероден диоксид. В хоризонтално направление най-алкални са водите в малките ширини, докато с нарастване на географската ширина величината на рН намалява.

Защо вкисляването на морската вода е толкова голяма заплаха?
 

С увеличаването на съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата, все по-голямо количество от този газ се разтваря в океанската вода. Образува се повече въглена киселина (H2CO3) и се увеличава концентрацията на водородните йони във водата, т.е. нейната киселинност нараства. 

Вкиселяването на водите в Световния океан е научно потвърдено явление. За последните 30 години средната величина на рН в повърхностните океански слоеве се е понижила от 8,3 на 8,1, което съответства на нарастване на киселинността с 30%, като се очаква до края на този век да достигне 7,8.

Нарастването на киселинността води до все по-затруднено извличане на карбонатни йони от водата от морските организми, понеже тези йони все по-често биват придърпвани от свободните водородни йони и се съединяват с тях, като образуват хидрокарбонати. Повишеното съдържание на въглена киселина води и до по-голяма разтворимост на карбонатните съединения и тъкани, които вече са синтезирани от организмите (например черупки), а това е дирекна сериозна заплаха за живота на много видове морски обитатели. Особено уязвими са коралите, чиито колонии са обитаема среда за хиляди растителни и животински видове в малките ширини. Увеличаване на киселинността по същата причина се наблюдава освен в морето и при подпочвените, речните и езерните води.

Карбонатната система превръща океаните в гигантски резервоар за въглерод

Посредством карбонатната система, водните басейни и преди всичко океаните, се явяват гигантски резервоар за въглерода и неговите съединения. Океанът успява да “поглъща” до 60% от отделяните от човека въглеродни емисии (Millero, 2000). Според специалистите от Smitsonian Institute от началото на промишлената революция досега океанът е абсорбирал около 525 милиарда тона атмосферен въглероден диоксид, а понастоящем – около 22 милиона тона всеки ден, което е еквивалентът на емисиите от 11 милиарда литра дизелово гориво.

Тоест, океанът действа като гигантски буфер, който забавя ефектите на глобалното затопляне, като цената за това е увеличаването на киселинността на водите. Проблемът е, че ако нивото на киселинност се повиши твърде много, поемният капацитет на океанската вода спрямо въглеродния диоксид също рязко ще се понижи. В резултат на това „заключване на карбонатите“ във въглената киселина, биологичното усвояване на тези съединения и тяхното отлагане на океанското дъно ще стават все по-трудно, а с това и възможностите на океана за извеждане на въглерода от системата ще бъдат все по-ограничени.